2 курс / Биохимия / Н.Ю.Коневалова - Биохимия

дегидрогеназы, у которого атом азота положительно заряжен и оттягивает электронную плотность. Вследствие поляризации связи у второго углеродного атома водород становится подвижным, а на атоме углерода остается электронная пара, т.е. он представляет карбанион, который атакует положительно заряженный углеродный атом пирувата. Образуется карбоксиэтилтиаминпирофосфат, который легко декарбоксилируется и превращается в оксиэтилтиаминпирофосфат.

оксиэтил-ТПФ

Образовавшийся оксиэтил-ТПФ взаимодействует с липоевой кислотой – коферментом дигидролипоилтрансацетилазы.

Происходит окисление оксиэтильной группы в ацетильную с переносом ее на липоевую кислоту, а тиаминпирофосфат выделяется. Дигидролипоилтрансацетилаза переносит ацетильный радикал на HS–КоА, а липоевая кислота восстанавливается.

141

Дигидролипоилдегидрогеназа окисляет восстановленную липоевую кислоту.

ФАД Н2 + НАД+ → ФАД + НАД Н + Н+

Протоны и электроны с восстановленного НАД идут в дыхательную цепь ферментов и переносятся на кислород с образованием воды. В результате образуются 3АТФ. Образовавшийся ацетил-КоА вступает в цикл трикарбоновых кислот.

Цикл трикарбоновых кислот

Цикл был открыт в 1937 г. английским биохимиком Г. Кребсом, за что в 1953 г. он был удостоен Нобелевской премии. В последующие годы были выделены и изучены ферменты, осуществляющие промежуточные реакции. Они локализованы в матриксе митохондрий или прикреплены к внутренней поверхности внутренней мембраны.

Ацетил-КоА вступает в реакцию конденсации со щавелевоуксусной кислотой при участии цитратсинтазы с присоединением воды. В результате выделяется HS–КоА и образуется лимонная кислота. Цитратсинтаза – регуляторный фермент: активируется субстратом, ингиби-

руется АТФ и НАД Н + Н+.

142

Под действием аконитатгидратазы от цитрата отщепляется вода, образуется цис-аконитовая кислота, к которой этот же фермент присоединяет воду и получается изоцитрат (субстрат II рода). Под действием изоцитратдегидрогеназы, имеющей кофермент НАД, происходит окисление изоцитрата в щавелевоянтарную кислоту. Кофермент НАД восстанавливается и отдает протоны и электроны в полную дыхательную цепь. Образуется вода и три молекулы АТФ. Изоцитратдегидрогеназа

– также регуляторный фермент: активируется АДФ, ингибируется АТФ и НАДН+Н+.

Образовавшийся оксалсукцинат является неустойчивым соединением и сразу декарбоксилируется, превращаясь в α-кетоглутаровую кислоту. На α-кетоглутарат действует α-кетоглутаратдегидрогеназный полиферментный комплекс, который идентичен по строению пируватдегидрогеназному комплексу и имеет такие же коферменты. Происходит окислительное декарбоксилирование, и образуется сукцинил-КоА и НАД Н+Н+, который отдает протоны и электроны в полную дыхательную цепь.

В сукцинил-КоА имеется связь, богатая энергией. Под действием сукцинаттиокиназы при участии ортофосфата происходит перенос макроэргической связи на ГДФ. Выделяется НS-КоА. Образовавшаяся мо-

143

лекула ГТФ вступает в реакцию перефосфорилирования с АДФ при участии нуклеозиддифосфаткиназы, и выделяются молекула АТФ и ГДФ. Молекулы ГДФ могут снова фосфорилироваться. Это субстрат-

ное фосфорилирование.

Сукцинатдегидрогеназа (флавиновый фермент) окисляет сукцинат в фумаровую кислоту. Это регуляторный фермент: активируется субстратом (т.е. сукцинатом), фосфатом, ингибируется щавелевоуксусной кислотой. Простетическая группа сукцинатдегидрогеназы ФАД восстанавливается и отдает протоны и электроны в неполную дыхательную цепь, в результате образуются 2 АТФ.

В отличие от других ферментов цикла, находящихся в водном матриксе митохондрий, сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней мембраной.

Фумарат гидратируется фумаратгидратазой с образованием яблочной кислоты, которая окисляется малатдегидрогеназой в щавелевоуксусную кислоту.

Кофермент малатдегидрогеназы НАД восстанавливается и отдает протоны и электроны в полную дыхательную цепь. Образуются 3АТФ. В итоге возникает щавелевоуксусная кислота, которая вновь может вступить в конденсацию с ацетил-КоА с образованием цитрата, т.е. замкнулся цикл. Поэтому превращения и носят название цикла Кребса или трикарбоновых кислот, в котором небольшое количество щавелевоуксусной кислоты обеспечивает окисление больших количеств аце- тил-КоА.

Значение цикла трикарбоновых кислот

1.Цикл представляет основной общий путь окисления ацетил- КоА-продукта распада углеводов, липидов, белков путем последовательных декарбоксилирований и дегидрирований.

2.Цикл является третьей стадией катаболизма и первой – анаболизма и связывает эти процессы, поэтому называется амфиболической стадией.

144

3.Цикл является генератором протонов и электронов для дыхательных цепей, транспорт по которым сопровождается аккумулированием энергии в макроэргических связях АТФ (11 АТФ образуются за счет окислительного фосфорилирования).

4.Цикл выполняет энергетическую функцию, связанную с образованием 1 АТФ в процессе субстратного фосфорилирования.

5.Через цикл осуществляется взаимосвязь обменов углеводов, липидов и аминокислот.

О жизненно важной роли цикла трикарбоновых кислот свидетельствует и тот факт, что практически неизвестны генетические дефекты его ферментов. Вероятно, такие нарушения несовместимы с развитием и жизнью.

Лекция 11

ТРАНСМЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ ГЛЮКОЗЫ

Транспорт моносахаридов из просвета кишечника в клетки слизистой оболочки может осуществляться путем облегченной диф-

фузии и активного транспорта. При активном транспорте глюкоза и Na+ проходят вместе путем симпорта, связываясь с разными участками белка-переносчика. При этом Na+ поступает в клетку под влиянием электрохимического градиента и “тащит” глюкозу за собой. Следовательно, чем больше градиент концентрации Na+, тем больше поступление глюкозы. Если концентрация Na+ во внеклеточной жидкости уменьшается, транспорт глюкозы подавляется. Градиент концентрации Na+, являющийся движущей силой этого симпорта, создается работой

Na+, К+-насоса (вторично-активный транспорт).

Глюкоза из клеток кишечника затем перемещается во внеклеточную жидкость и далее в кровь с помощью облегченной диффузии. Поступающая из кишечника глюкоза с кровью воротной вены попадает в печень, где часть ее задерживается, а часть через общий кровоток попадает в клетки других органов и тканей.

Потребление глюкозы клетками из кровотока происходит так-

же путем облегченной диффузии при участии специальных белковтранспортеров. Следовательно, скорость трансмембранного потока глюкозы зависит только от градиента ее концентрации. Исключением являются клетки мышц и жировой ткани, где облегченная диффузия регулируется инсулином (гормон поджелудочной железы). В отсутствие

145

инсулина плазматическая мембрана этих клеток непроницаема для глюкозы, т.к. в ней нет белков-переносчиков для глюкозы. Белкипереносчики (транспортеры глюкозы – ГЛЮТ) обнаружены во всех тканях. Существует 5 типов ГЛЮТ, которые пронумерованы по порядку их обнаружения.

Все 5 типов ГЛЮТ имеют сходную первичную структуру. ГЛЮТ-1 служит для обеспечения стабильного потока глюкозы в

мозг. В других тканях он поставляет глюкозу в клетки, когда они находятся в состоянии покоя.

ГЛЮТ-2 обнаружен в клетках органов, выделяющих глюкозу в кровь. Именно при участии ГЛЮТ-2 глюкоза переходит в кровь из э н- тероцитов после ее всасывания в кишечнике.

ГЛЮТ-3 обладает большим, чем ГЛЮТ-1, сродством к глюкозе. Он также обеспечивает постоянный приток глюкозы к клеткам нервной ткани.

ГЛЮТ-4 – главный переносчик глюкозы в мышцах и адипоцитах. ГЛЮТ-5 встречается главным образом в клетках тонкой кишки.

Его функции известны недостаточно.

Все типы ГЛЮТ могут находиться как в плазматической мембране, так и в цитозольных везикулах. В отсутствии инсулина ГЛЮТ-4 (и в меньшей мере ГЛЮТ-1) почти полностью находятся в цитоплазме. Влияние инсулина на такие клетки приводит к перемещению везикул, содержащих ГЛЮТ, к плазматической мембране и их слиянию с ней, после чего возможен облегченный транспорт глюкозы в эти клетки. После снижения концентрации инсулина в крови белки-транспортеры глюкозы снова перемещаются в цитозоль.

В клетки печени глюкоза проходит при участии ГЛЮТ-2, независимого от инсулина. Концентрация глюкозы в гепатоцитах в период пищеварения повышается соответственно ее уровню в крови воротной вены. В этих условиях фосфорилирование глюкозы в гепатоцитах обеспечивается свойствами глюкокиназы, которая имеет высокое значение Km и не ингибируется продуктом реакции. Кроме того, ГЛЮТ-2 также

146

имеет высокую Кm. Следовательно, скорость поступления глюкозы в гепатоциты и ее фосфорилирование увеличиваются во время пищеварения пропорционально повышению ее концентрации в крови. Хотя инсулин и не влияет на транспорт глюкозы, он усиливает приток глюкозы в гепатоцит в период пищеварения косвенным путем, индуцируя синтез глюкокиназы и ускоряя тем самым фосфорилирование глюкозы.

Транспорт глюкозы из первичной мочи в клетки канальцев

происходит путем вторично-активного транспорта подобно тому, как это происходит с люминальной стороны кишечника в клетки. Благодаря этому глюкоза может поступать в клетки канальцев даже в том случае, если ее концентрация в первичной моче меньше, чем в клетках. Глюкоза реабсорбируется из первичной мочи почти полностью (на 99%) в конечной части канальцев.

Лекция 12

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ. АЭРОБНЫЙ РАСПАД ГЛЮКОЗЫ

Углеводы, как и белки и липиды, являются одними из важнейших соединений живых организмов, хотя и находятся в тканях в значительно меньшем количестве и составляют не более 2% от сухой массы тела (в организме животных и человека).

Все углеводы условно делят на две группы:

1.Углеводы с преимущественно энергетической функцией. К

ним относится глюкоза, являющаяся транспортной формой углеводов у животных организмов (содержание в крови составляет 3,65-6,11 ммоль/л). Запасным углеводом животных является полисахарид гликоген, депонируемый в печени (содержание на сырую массу ткани до 5%, абсолютное количество до 150 г) и мышечной ткани (до 2%). Запасным углеводом растений является полисахарид крахмал, а транспортной формой – сахароза.

2.Углеводы с преимущественно структурной функцией. К

этой группе относятся гликопротеины и гликолипиды, гетерополисахариды – гликозаминогликаны, у растений – клетчатка.

Углеводы выполняют очень важные функции:

1.Энергетическая – окисление углеводов поставляет 60-70% всей энергии, необходимой для организма.

2.Структурная – углеводы входят в состав мембран клеток;

гликозаминогликаны участвуют в формировании соединительной ткани; пентозы входят в состав нуклеиновых кислот, нуклеотидов, кофак-

147

торов ферментов.

3.Гликопротеины, гликолипиды выполняют роль рецепторов и участвуют в специфических взаимодействиях.

4.Углеводные компоненты имеются в иммуноглобулинах, вы-

полняющих защитную функцию.

5.Гепарин, относящийся к гликозаминогликанам, активирует липопротеинлипазу; являясь антикоагулянтом, входит в противосвертывающую систему.

6.Пластическая – углеводы легко превращаются в соединения

других классов: липиды, аминокислоты.

Обмен углеводов включает ряд последовательно протекающих процессов: поступление углеводов в организм с пищей, переваривание сложных углеводов в желудочно-кишечном тракте, всасывание моносахаридов в кишечнике, транспорт их к органам и тканям, синтез углеводов в тканях, распад углеводов в тканях и выделение из организма пр о- дуктов распада, образование из углеводов в организме других веществ.

Переваривание углеводов

Углеводы играют важную роль в питании человека и животных, составляя 60-70% пищевого рациона у нас и до 90% у травоядных животных. Сложные углеводы – поли- и дисахариды в пищеварительном тракте человека и животных подвергаются расщеплению до моносахаридов с участием ряда ферментов.

В ротовой полости начинается расщепление полисахаридов крахмала и гликогена. В слюне содержится фермент α-амилаза, расщепляющая α-1,4-гликозидные связи внутри молекул полисахаридов (амилозы, амилопектина, гликогена) с образованием лимит-декстринов или при длительном действии – мальтозы. Она действует в нейтральной

и слабощелочной среде, активируется ионами хлора. Кроме α-амилазы в слюне есть фермент мальтаза, которая расщепляет мальтозу на две молекулы глюкозы. Однако пищевой комок в ротовой полости долго не задерживается, и поэтому переваривание полисахаридов здесь только начинается и очень незначительно.

В желудке сок имеет сильно кислую реакцию, вследствие чего амилаза слюны инактивируется. Действие ее может продолжаться только внутри пищевого комка, пока туда не проник желудочный сок. Собственных ферментов, переваривающих углеводы, в желудочном соке нет.

Переваривание основной массы углеводов происходит в двенадцатиперстной кишке под действием ферментов панкреатического со-

ка. В нем содержатся α-амилаза (как и амилаза слюны, расщепляющая

α-1,4- гликозидные связи), амило-1,6-гликозидаза и олиго-1,6-

148

гликозидаза (терминальная декстриназа), гидролизующие α-1,6- гликозидные связи.

В тонком кишечнике окончательное переваривание углеводов происходит пристеночно – в щеточной кайме на поверхности слизистой кишечника при участии ферментов кишечного сока: мальтазы, рас-

щепляющей мальтозу на две молекулы глюкозы (α-1,4-гликозидная связь); сахаразы, расщепляющей сахарозу на фруктозу и глюкозу; лактазы, расщепляющей лактозу на глюкозу и галактозу; изомальтазы,

расщепляющей изомальтозу на две молекулы глюкозы (α-1,6- гликозидная связь); трегалазы, расщепляющей трегалозу (грибной са-

хар) на две молекулы глюкозы (α-1,1-гликозидная связь). Частично этот процесс может идти в просвете кишечника, куда секретируются ферменты.

Таким образом, конечными продуктами переваривания углеводов являются моносахариды: глюкоза, фруктоза и галактоза, которые всасываются стенкой кишечника.

Всасывание моносахаридов происходит с разной скоростью (по уменьшению скорости): галактоза > глюкоза > фруктоза > манноза > ксилоза > арабиноза. Всасывание происходит путем облегченной диффузии, но главным механизмом является активный транспорт с помощью Na-зависимой транспортной системы с затратой АТФ за счет градиента концентрации ионов натрия, создаваемого Na+ ,К+ -АТФ-азой.

С пищей в организм человека и животных в большом количестве поступает полисахарид клетчатка (целлюлоза), в которой остатки глю-

козы соединены β-гликозидной связью. Ферментов, расщепляющих этот тип связи, у человека и животных нет, поэтому клетчатка доходит до толстого кишечника в неизмененном виде. В толстом кишечнике у человека и особом отделе желудка (рубце) у травоядных животных имеются микроорганизмы, выделяющие ферменты, которые сбраживают клетчатку: целлюлаза – расщепляет целлюлозу с образованием дисахарида целлобиозы; целлобиаза – расщепляет целлобиозу до глюкозы, которая далее ферментами бактерий расщепляется до уксусной, молочной, пировиноградной кислот, которые усваиваются.

У человека присутствие клетчатки в пище имеет большое значение, так как она усиливает перистальтику кишечника, создавая давление на стенки кишечника, и способствует пищеварению; адсорбирует воду и удерживает ее в полости кишечника; необходима для формирования каловых масс; адсорбирует некоторые токсические вещества, а также радионуклиды; используется микрофлорой кишечника.

Всосавшиеся моносахариды (около 90%) с кровью по системе воротной вены поступают в печень, где фруктоза и галактоза превращаются в глюкозу. Эти превращения моносахаридов могут начаться уже в клетках слизистой кишечника. Около 10% моносахаридов всасывается в

149

лимфу, с которой поступают в кровь. В печени часть глюкозы используется с энергетическими целями, подвергаясь окислению, часть депонируется в виде гликогена, часть подвергается превращениям с использованием на синтез других соединений (жирных кислот, аминокислот, гетерополисахаридов, глюкуроновой кислоты и др.), часть разносится кровью к тканям. Содержание глюкозы в крови в норме колеблется в пределах 3,65-6,11 ммоль/л и поддерживается на этом уровне с помощью ряда систем. В мышечной ткани, как и в печени, глюкоза депонируется в виде гликогена.

Глюкоза как важнейший метаболит углеводного обмена. Общая схема источников расходования глюкозы в организме. Ключевая роль глюкозо-6-фосфата в метаболизме углеводов.

Глюкоза является основным метаболитом и транспортной формой углеводов в организме человека и животных. Ее источником являются углеводы пищи, депонированный гликоген, процесс глюконеогенеза в печени и почках (синтез из неуглеводных предшественников). Чтобы глюкоза могла вступить в те или иные превращения, она должна фосфорилироваться с образованием фосфорного эфира – глюкозо-6-фосфата, который далее превращается по различным путям.

Основными путями превращений глюкозы является окисление ее с энергетическими целями (в аэробных и анаэробных условиях), депонирование в виде гликогена, превращение в другие углеводы и соединения других классов.

Распад углеводов

Распад углеводов может происходить без участия кислорода

150